Aerogeneratore Vestas V52-850kW Capitolo 4

Capitolo 4

4.1 Descrizione dell’aerogeneratore

Il V52-850kW [4] è un aerogeneratore con rotore tripala (52 m di diametro), funzionante a velocità variabile e dotato di sistema di regolazione del passo (Vestas OptiTipTM).

Il funzionamento a velocità variabile è realizzato con un doubly fed induction generator (Capitolo1) controllato con il sistema Vestas OptiSpeedR.

L’OptiSpeedR consente di variare il numero di giri del rotore in un campo di circa il 60% del RPM nominale e, insieme al comando del passo assicura l’ottimizzazione della potenza ad ogni velocità del vento.

La trasmissione della potenza dal rotore al generatore (DFIG a quattro poli) avviene attraverso un moltiplicatore di giri elicoidale ed epicicloidale. L’aerogeneratore è dotato di sistema di imbardatura automatica della navicella secondo la direzione del vento e frena mettendo in bandiera le pale. Sull’albero veloce del moltiplicatore di giri è presente inoltre un sistema di frenatura di emergenza.Tutte le funzioni sono monitorate e controllate da unità di controllo a microprocessore.

4.1.1 Unità di controllo VMP

L’aerogeneratore V52 opera in maniera completamente automatica tramite l’unità di controllo VMP (unità di controllo Vestas con Multi-Processore), che assolve alle seguenti funzioni:

- Prima del collegamento con la rete, permette alla velocità di rotazione di sincronizzarsi con la frequenza della rete al fine di limitare la corrente di cut-in (che assume cut-in questo modo un valore cut-inferiore a quello della corrente nominale).

- Monitoraggio del funzionamento.

- Arresto e disconnessone dalla rete della turbina in caso di guasto.

L’unità di controllo VMP è posizionata in navicella. All’interno dell’aerogeneratore sono presenti due quadri di controllo: uno in navicella ed uno a base torre.

4.1.2 Collegamento alla rete

Nella sezione delle sbarre di potenza del quadro di controllo a base torre c’è un interruttore (Q8*) relativo al generatore e un interruttore (F30*) per gli ausiliaria. L’interruttore Q8 è dotato di protezione con relè di massima corrente ad azione istantanea (50), relè di massima corrente ad azione ritardata (51) e relè rilevatore di terra (64). In caso di guasti (interni od esterni), l’aerogeneratore viene disconnesso dalla rete dallo scatto di Q8.

Tabella 4.1: Interruttore e protezione a bordo macchina Q8

Interruttore

Potere di interruzione,Icu, Ics 20kA/15kA

Protezione

Soglia di sovraccarico (51) 800 A

Soglia di cto-cto (50) 3.2 kA

L’aerogeneratore non può essere collegato alla rete quando la corrente di corto circuito nel punto di installazione è superiore ai 15 kA.

Un trasformatore da 1000 kVA è sufficiente per allacciare la macchina alla rete MT. Il trasformatore deve avere il lato bassa tensione collegato a stella ed il centro stella deve essere messo a terra e collegato all’impianto di terra della turbina. Il collegamento deve essere eseguito con il sistema TN-S (vedi “Schema di collegamento alla rete”, Appendice 1).

4.1.3 Monitoraggio della rete

L’aerogeneratore viene disconnesso dalla rete se la tensione o la frequenza superano i seguenti limiti:

- La tensione supera il valore nominale del 10% per 60 s. - La tensione è inferiore al valore nominale del 10% per 60 s. - La tensione supera la tensione nominale del 13.5% per 0.2 s. - La frequenza supera i 51 Hz per 0.2 s.

4.2

Sistema

elettrico

Il sistema di generazione della Vestas è realizzato con la tecnologia del DFIG. Il generatore elettrico è un asincrono a 4 poli con rotore avvolto e anelli di contatto. Tra il rotore e la rete elettrica è installato un convertitore funzionante su quattro quadranti che è controllato in maniera tale da ottenere velocità ottimali del rotore a seconda delle condizioni di ventosità (sistema di controllo OptiSpeed). Attraverso il dispositivo passa solo la potenza proveniente dal rotore, che è una piccola parte della potenza generata dall’intero sistema. Grazie al convertitore è possibile eliminare l’utilizzo di energia reattiva proveniente dalla rete e quindi funzionare a fattore di potenza unitario. Se richiesto è anche possibile assorbire o erogare reattivo.

Il convertitore è protetto da sovratensioni con un dispositivo che cortocircuita gli avvolgimenti di rotore in condizioni anomale di funzionamento.

Gli avvolgimenti di statore del generatore possono essere connessi a stella o a triangolo. Ciò permette di mantenere la corrente statorica relativamente bassa in condizioni di funzionamento ad elevata potenza. Per potenza erogata inferiore ai 700 kW l’aerogneratore opera a stella, per potenze superiori a triangolo. I due modi di funzionamento richiedono frequenti disconnessioni e riconnessioni alla rete che vengono eseguite dal sistema di controllo in tempi molto brevi (pochi millisecondi).

4.3 OptiSpeed

e OptiTip

Massima produzione si ottiene quando il rotore opera in condizioni di ottimo aerodinamico, ovvero quando è massimizzato il coefficiente di potenza Cp.

Massimizzare Cp significa ottimizzare, in qualsiasi condizioni di ventosità, i due

parametri di cui è funzione:

CP,opt = Cp (λopt,θopt)

v R ω_rot

λ= ⋅

dove R è il raggio del rotore,ωrot la sua velocità.θ è l’angolo di inclinazione delle pale rispetto al mozzo.

Il sistema OptiSpeedTM [5] è la struttura di controllo che consente di impostare la velocità di rotore ad un valore tale da ottimizzare il coefficiente λ per ogni velocità del vento:

R v OPT ROT ⋅ =λ ω

Il campo delle velocità a cui il rotore può funzionare a regime statico è compreso in un range tra un minimo e un valore nominale di giri al minuto (ω_min=868 RPM,

rtd

ω =1620 RPM).

Vestas OptiTipR

Ai regimi di ventosità in cui l’OptiSpeed [5] non permette di operare in condizioni di ottima efficienza aerodinamica interviene il sistema OptiTip, che consente di massimizzare il CP selezionando il passo delle pale θ ottimale.

A velocità del vento elevate OptiTip aumentando l’angolo di passo, diminuisce efficienza aerodinamica del rotore e permette di mantenere la potenza erogata al alore nominale.

In figura 4.2 sono riportati gli andamenti, dell’angolo di passo, della velocità del generatore e della potenza attiva erogata per velocità comprese tra 15m/s e 25m/s (velocità di cut-out) relativi ad un aerogeneratore Vestas V52-850kW(facente

arte di una centrale eolica installata in Svezia[7]) in condizioni di normale nzionamento.

l’ v

p fu

Figura 4.2: Dati operativi relativi ad un aerogeneratore Vestas V52-850kW funzionante a velocità del vento comprese tra 15m/s e 25m/s.

4.4 Dati

principali

4.4.1 Dati operativi

4.4.2 Curva di potenza

La curva di potenza è misurata al quadro di controllo a base torre. Per poter soddisfare le specifiche di bassa rumorosità di un determinato sito è possibile programmare i livelli di emissione di rumorosità prima dell’installazione dell’aerogeneratore: ciò comporta piccole variazioni nell’andamento della curva di potenza [5]. Di seguito è riportata la curva di potenza con livello di emissione standard. La curva è ricavata per velocità del vento al valore medio di 10 minuti all’altezza del mozzo e perpendicolare al piano del rotore, e per diversi valori di densità dell’aria (kg/m3).

Velocità vento di avvio: 4 m/s

Velocità vento nominale: 16 m/s

Tabella 4.2: Curva di potenza del ell’aria

V52-850kW per diversi valori di densità Potenza (kW) d V10 m/s 1.225 1.060 1.090 1.120 1.150 1.180 1.210 1.240 1.270 4 25.5 20.4 21.3 22.3 23.2 24.1 25.1 26.0 27.0 5 67.4 56.6 58.6 60.5 62.5 64.5 66 68.4 70.4 6 125 106 109 113 116 119 123 126 130 7 203 173 179 184 189 195 200 206 211 8 304 260 268 276 284 292 300 308 317 9 425 365 376 387 398 409 420 431 441 10 554 480 494 507 521 534 547 561 572 11 671 595 610 624 637 651 665 679 688 12 759 696 709 720 731 742 753 765 770 13 811 770 780 787 794 800 807 814 817 14 836 815 820 824 827 831 834 838 839 15 846 837 839 841 842 843 845 846 847 16 849 846 847 847 848 848 849 849 849 17 850 849 849 849 850 850 850 850 850 18-25 850 850 850 850 850 850 850 850 850

4.5 Risposta al guasto

P gua la a r d IG Ve da a r a d

m chin ncr on a a r ositivo e ico

potenza[6]. Il contributo al corto del convertitore è legato all’algoritmo

c troll dim ona de ver stes a ri a de era

cron end par i de acc da di c llo

abba ento della tensione statorica gue d u sto ret

ito da una variazion e c ti d chi co tor ond

ta ion ma ta po le enti rotoriche al va

rminato dall’algoritmo di controllo. I o d sti tev tità rti on antenere queste correnti entro il range nomina qu gli avvolgimenti di rotore vengono messi in cortocircuito onde proteggere da sovratensioni il generatore e il dispositivo elettronico di potenza stesso (paragrafo 4.2).

Negli istanti successivi alla messa in corto degli avvolgimento rotorici, il generatore si comporta come un asincrono a gabbia di scoiattolo; seguono pochi periodi di rete e la macchina viene disconnessa dalla rete.

In base alle considerazioni precedenti si può caratterizzare la risposta al guasto dell’aerogeneratore in relazione all’entità del guasto stesso:

- guasti di entità limitata (ad esempio “modesti” abbassamenti di tensione): la turbina eolica non si disconnette e la sua risposta è determinata in larga parte dall’algoritmo di controllo;

- guasti di entità rilevante (ad esempio, guasti trifase): il generatore si comporta come un asincrono a gabbia di scoiattolo e viene disconnesso dalla rete in pochi millisecondi.

er sti sul rete, l isposta el DF della stas è ta dall ispost ella ac a asi ona c trollat e dall isposta del disp lettron di

di on o e al ensi mento l con titore so. L spost l gen tore asin o dip e dai ametr lla m hina e l tipo ontro .

Un ssam conse nte a n gua sulla e, è

segu e dell orren i mac na. Il nverti e risp e a

ques variaz e in niera le da rtare corr lore

dete n cas i gua di no ole en , il

In relazione al comportamento da asincrono a gabbia di scoiattolo, ai fini del imensionamento dei componenti della centrale eolica, si può assumere il

ema elettrico dell’aerogeneratore pari a circa cinque

isura doperato è riportato nella figura in basso:

g

i è misurata la risposta del V-52 a seguito di un abbassamento simmetrico della nsione di rete. La macchina opera circa al 20% della potenza nominale a d

contributo al corto del sist

volte il valore della corrente erogata dalla macchina in condizioni nominali di funzionamento.

Sono riportati di seguito dei rilievi eseguiti su di un aerogneratore Vestas V-52 850kW di un impianto eolico installato in Svezia[7]. Lo schema di m a

Fi ura 4.3:Schema di acquisizione dati

S te

1

cosϕ= quando la tensione cala fino all’80% del valore nominale per la durata irca 0.1s. Dopo tale intervallo di tempo, il guasto, causa dell’abbassamento di sione sulla rete, vien

di c

ten e eliminato e la tensione ritorna al valore iniziale(figura 4.4).

igura 4.4: Abbassamento di tensione misurato ai morsetti del V52-850kW

Figura 4.5: Risposta all’abbassamento di tensione (figura 4.4) del V52-850kW:potenza attiva(destra), potenza reattiva(sinistra)

L’aerogeneratore non si disconnette dalla rete; si rilevano delle oscillazioni nella attiva in corrispondenza dell’instante di guasto che si

del V-52

F

potenza attiva e re

esauriscono in poco più di 0.5s (figura 4.5).

Gli andamenti delle grandezze elettriche riportati nel seguito mostrano la risposta in occasione di un guasto trifase sulla rete. Come nel caso precedente, negli istanti prima del guasto l’aerogeneratore eroga il 20% della potenza nominale a cosϕ=1.

Figura 4.6:Corto trifase sulla rete: tensione ai morsetti di macchina(sinistra) e corrente erogata dall’aerogeneratore(destra)

Figura 4.7:Corto trifase sulla rete:potenza attiva(sinistra) e potenza reattiva(destra) erogate dal V52-850kW

po dell’ordine dei 40 ms (figura 4.7). La corrente di statore raggiunge circa cinque volte il valore nominale e viene aperta dall’interruttore di macchina in un tem